(安徽省長江河道管理局, 安徽 蕪湖 241000)
安徽省長江崩岸預(yù)警技術(shù)研究與應(yīng)用
劉東風(fēng)呂平
(安徽省長江河道管理局,安徽蕪湖241000)
近年來,長江安徽段水沙條件、河床邊界變化明顯,部分河段局部近岸河床沖刷下切,河岸崩退,威脅防洪和群眾生命財產(chǎn)安全。為此,采用河道演變分析、近岸斷面套繪、岸坡穩(wěn)定計算等方法,結(jié)合已護岸工程、岸坡抗沖能力等情況,開展了長江崩岸預(yù)警工作。通過分析預(yù)測各崩岸段發(fā)展態(tài)勢及崩岸發(fā)生可能性,結(jié)合崩岸可能造成的危害程度,向社會公開發(fā)布長江崩岸預(yù)警。該項工作開展以來,取得了良好的經(jīng)濟和社會效益,其經(jīng)驗可供長江其他河段開展崩岸監(jiān)測分析與預(yù)警工作參考。
崩岸預(yù)警; 河道演變; 岸坡穩(wěn)定; 護岸工程; 安徽
長江安徽段位于長江中下游,上起宿松縣段窯,下迄和縣駟馬河口,河道全長416 km,兩岸干堤總長771 km。按河道形態(tài)及其演變特點,由上而下依次劃分為張家洲、上下三號、馬當、東流、官洲、安慶、太子磯、貴池、大通、銅陵、黑沙洲、蕪湖和馬鞍山13個河段?!堕L江流域綜合利用規(guī)劃報告》將張家洲和上下三號河段列入九江河段,將官洲河段列入安慶河段,并將九江、安慶、銅陵、蕪湖和馬鞍山河段列入長江中下游一類重點整治河段。
長江安徽段總體特征為河道平面形態(tài)寬窄相間,江中沙洲發(fā)育,形成多分汊河型,江心洲眾多、流態(tài)復(fù)雜、洲灘消漲、主支汊沖淤興衰,部分河段深泓線擺動不定。經(jīng)過多年整治,大部分河段總體河勢趨于穩(wěn)定,部分河段局部河床變化仍然較為頻繁。
1.1 崩岸及治理情況
據(jù)統(tǒng)計,長江安徽段現(xiàn)有崩岸76處,總長度 418 km,其中左岸崩岸32處,崩岸區(qū)長218.2 km,右岸崩岸28處,崩岸區(qū)長116.5 km,江心洲崩岸16處,崩岸區(qū)長83.3 km,扣除江心洲崩岸長度后,崩岸長度占岸線總長的44.3%。2003年以來,27處未穩(wěn)定崩岸段先后發(fā)生崩岸,崩岸總長80.3 km。崩岸較嚴重的地段有望江縣江調(diào)圩、樅陽縣桂家壩、長沙洲、貴池區(qū)秋江圩、蕪湖市新大圩和天然洲等處。
安徽省十分重視長江護岸工作,特別是1998年大洪水后,先后于1998~1999年實施了9 600萬元的護岸工程,2001~2003年安徽省國債護岸工程和長江水利委員會實施了長江隱蔽工程。2015年,安徽省長江崩岸應(yīng)急治理工程通過國家發(fā)改委批復(fù),工程治理崩岸段24處,護岸總長度43.85 km,拋石206萬m3,鉸鏈排74萬m2,總投資6.43億元。該工程于2015年9月正式開工,2017年汛前完成全部主體工程。
1.2 崩岸突發(fā)與危害
崩岸是河岸穩(wěn)定風(fēng)險不斷累積后釋放的結(jié)果,突發(fā)性強、危害性大,如安徽馬鞍山江堤人工磯頭1976年11月10日19:00突發(fā)窩崩,崩長460 m、崩寬350 m,崩去堤防450 m。崩岸的危險性,主要表現(xiàn)在以下幾點。
(1) 影響防洪工程安全。無為大堤外護圩石板隆興洲、永定大圩堤防原系長江干堤,因劇烈崩岸,無為大堤被迫退建。同馬大堤六合圩1989年12月3日11:00突發(fā)大崩窩,崩長210 m、崩寬114 m,崩至堤頂。
(2) 威脅群眾生命財產(chǎn)安全。江西彭澤馬湖堤1996年1月8日18:00發(fā)生崩岸,在極短的時間內(nèi),崩堤960 m,最大崩寬達270 m,腳內(nèi)的21戶住房瞬間塌人江中。無為縣天然洲2008年9月27日崩岸致13戶房屋倒塌,2010年9月2日崩岸致4戶房屋倒塌,29戶人家處于危險區(qū)。
(3) 影響重要基礎(chǔ)設(shè)施正常運行。安慶市西門1975~1976年崩岸導(dǎo)致煉油廠取水泵房取水頭部管道和管樁沖塌,影響泵房正常運行,被迫實施應(yīng)急護岸工程。2013年3月17日,寧安城際鐵路大橋右岸橋位處發(fā)生一崩窩,崩長100 m、寬40 m,威脅橋墩安全。
(4) 影響航運暢通。在順直河段內(nèi)崩岸使河寬增加,泥沙淤積,航深變小,如湖北下荊江碾子灣河道因上游崩岸引起泥沙淤積,1995年2~3月出現(xiàn)二次斷航,最長一次達22 d。
1.3 崩岸原因分析
崩岸影響因素十分復(fù)雜。根據(jù)余文疇、盧金友等的研究,影響因素主要為水流動力條件、河床邊界條件、人類活動等[1-4]。結(jié)合河道特征,長江安徽段河岸崩塌原因主要有以下幾個方面。
(1) 水流頂沖。長江安徽段13個河段中,4個河段為鵝頭型分汊河段,7個河段為微彎分汊型河段,河段分汊較多,兩汊及兩汊以上水流的匯合頂沖往往會成為一股強大的主流,而匯流點以下河道一般又多束窄,主流項沖河岸,引起強烈崩岸。黑沙洲三汊匯流頂沖高安圩、馬垱河段匯流頂沖江調(diào)圩等均屬此類。
(2) 彎道環(huán)流。官洲、太子磯、銅陵、黑沙洲4個鵝頭型分汊河段中,彎道環(huán)流與縱向水流共同形成的螺旋流,使凹岸河床發(fā)生沖刷。官洲河段廣成圩崩岸、銅陵河段太陽洲崩岸、黑沙洲河段小江壩崩岸等受彎道環(huán)流影響突出。
(3) 來沙條件變化。三峽工程運行后,大通水文站多年平均含沙量由0.479 kg/m3減至0.165 kg/m3,減少了65.6%。根據(jù)水流挾沙力經(jīng)驗公式,清水下泄將導(dǎo)致河道下切,坡腳沖深變陡,灘槽高差加大,岸坡趨于不穩(wěn)定。
(4) 岸坡土質(zhì)組成。長江安徽段屬平原彎曲性河道,河岸地層結(jié)構(gòu)以二元結(jié)構(gòu)為主,部分為單一砂層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu),土質(zhì)較疏松,抗沖刷能力弱,在迎流頂沖、回流及深泓貼岸地段,岸坡穩(wěn)定性差,較易形成岸坡失穩(wěn)崩塌。
(5)人為因素。主要包括近岸河床采砂、突出河岸的建筑物對水流的擾動,以及在近岸江灘上附加荷載等,如2007年蕪湖江東船廠在碼頭樁基礎(chǔ)施工過程中誘發(fā)崩岸,最大崩寬40~50 m。
2.1 預(yù)警級別與應(yīng)對措施
長江崩岸是河床演變中的一種自然現(xiàn)象,一方面是河流發(fā)展過程中的自身需要,塑造了長江中下游沖積平原;另一方面也使人們時常遭受長江洪水和河道崩岸帶來的災(zāi)害,威脅著人們生命財產(chǎn)的安全,影響著社會經(jīng)濟的正常發(fā)展。因此,開展河道崩岸預(yù)警工作、對可能發(fā)生的災(zāi)害進行預(yù)測預(yù)防是十分必要的。
安徽省長江崩岸預(yù)警,著眼于崩岸的危害性,以崩岸發(fā)生的可能性、崩岸可能造成的危害程度為尺度,可將預(yù)警級別劃分為3級。將發(fā)生崩岸可能性很大,崩岸發(fā)生后將直接威脅人民生命財產(chǎn)安全、防洪工程或重要基礎(chǔ)設(shè)施安全的崩岸區(qū)確定為Ⅰ級預(yù)警區(qū)。要求當?shù)卣龊芒窦夘A(yù)警區(qū)宣傳和警示工作,落實24 h不間斷巡查,轉(zhuǎn)移受崩岸威脅群眾, 逐步搬遷對應(yīng)區(qū)域內(nèi)居民。各級預(yù)警區(qū)分級標準、應(yīng)對措施見表1。
表1 安徽省長江崩岸預(yù)警區(qū)分級標準與應(yīng)對措施
2.2 預(yù)警確定的方法與步驟
安徽省長江崩岸預(yù)警判別指標為崩岸發(fā)生的可能性、崩岸可能造成的危害程度。其中,崩岸發(fā)生的可能性根據(jù)現(xiàn)有資料和技術(shù)水平,主要通過分析長江河勢演變趨勢、崩岸區(qū)近岸河床變化情況,結(jié)合已護岸情況、岸坡抗沖能力,分別從水流動力條件、河床邊界條件、人類活動3個方面進行定性判斷;崩岸可能造成的危害程度依據(jù)崩岸段灘地寬度、居民分布以及社會經(jīng)濟條件調(diào)查,評估發(fā)生突發(fā)窩崩或持續(xù)條崩對防洪安全、群眾生命財產(chǎn)安全、河勢穩(wěn)定、岸線利用、涉河建設(shè)項目運行等方面的影響,確定其危害性等級,將直接威脅防洪和群眾生命財產(chǎn)安全的確定為最高危害等級。
根據(jù)以上方法和原則,安徽長江崩岸預(yù)警確定過程具體操作步驟如下。
(1) 崩岸調(diào)查。該步驟是安徽省長江河道管理系統(tǒng)重要的工作內(nèi)容之一。2014年安徽省長江河道管理局組織編寫了安徽省地方標準《護岸工程技術(shù)管理規(guī)程》,旨在統(tǒng)一崩岸檢查、觀測技術(shù)要求,提高了崩岸調(diào)查的規(guī)范性。
(2) 水下地形測量。安徽省長江河道管理局測繪院每5 a對長江河道進行一次1/10 000長程水道測量,每年汛前、汛后對長江重點崩岸段、河勢控制部位水下地形進行監(jiān)測,監(jiān)測長度達200 km,形成了系統(tǒng)、連續(xù)的實測資料。
(3)河段河勢演變分析。根據(jù)實測地形和水文泥沙資料,對長江安徽段13個河段河勢變化進行分析,根據(jù)河段沖淤、深泓擺動、洲灘消漲、汊道分流分沙比變化等情況,分析崩岸段水流泥沙動力條件的變化。
(4) 近岸水下地形分析。通過近5 a內(nèi)近岸水下地形平面、斷面套繪,分析近岸岸坡及深槽沖刷情況、岸坡坡比變化情況。一般認為,坡腳沖刷下切、岸坡坡度變陡、灘槽高差加大均不利于岸坡穩(wěn)定[1-2]。
(5) 岸坡防沖和護岸工程情況調(diào)查。主要根據(jù)崩岸段岸坡組成結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件以及崩岸段護岸實施情況,判斷河岸邊界條件對岸坡穩(wěn)定性的影響。
(6) 崩岸危害性分析。對崩岸段灘地寬度、居民分布以及社會經(jīng)濟條件進行調(diào)查,分別從防洪安全、群眾生命財產(chǎn)安全、河勢穩(wěn)定、岸線利用以及涉河建設(shè)項目運行等方面,分析崩岸發(fā)生后的危害性。
(7) 崩岸預(yù)警區(qū)確定。由于對崩岸發(fā)生可能性和危害性的分析多為定性分析,而不是定量計算。因此,在崩岸預(yù)警區(qū)級別最終確定過程中,將所有崩岸段各項指標并列,通過分析對比各項指標的趨勢和程度,相互比較各個預(yù)警區(qū)崩岸發(fā)生的可能性和危害性,以最終確定預(yù)警級別。
2016年汛前,安徽省防汛抗旱指揮部辦公室會同安徽省長江河道管理局就沿江21處崩岸險段向當?shù)卣l(fā)出預(yù)警,預(yù)警區(qū)總長37.54 km,其中Ⅰ級崩岸預(yù)警2處、4.44 km;Ⅱ級崩岸預(yù)警4處、10.62 km;Ⅲ級崩岸預(yù)警15處、22.48 km?,F(xiàn)分別選擇代表性的Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級崩岸預(yù)警區(qū),介紹其預(yù)警級別和范圍確定過程,進一步闡述安徽長江崩岸預(yù)警區(qū)確定的方法與步驟。
3.1 Ⅰ級預(yù)警區(qū)——樅陽桂家壩崩岸段
樅陽桂家壩崩岸區(qū)位于長江貴池河段左汊出口左岸,對應(yīng)樅陽江堤樁號35+000~37+300。2012年以來崩岸持續(xù)發(fā)生,2015年8~10月,先后發(fā)生4處崩岸,威脅防洪工程和群眾生命財產(chǎn)安全。預(yù)警級別擬定過程如下。
(1) 河段河勢演變分析。貴池河段系首尾束窄中間展寬的多分汊河段,江中長沙洲、鳳凰洲將水流分為左、中、右三汊,受進口段主流擺動及汊道阻力變化的影響,河勢一直處于變化之中。左汊分流比由2004年29%增至2011年36%,新長洲與長沙洲之間汊道沖刷,水流直接頂沖桂家壩岸坡,引發(fā)崩岸。貴池河段河勢見圖1。
(2) 近岸水下地形套繪分析。桂家壩崩岸段斷面變化見圖2。根據(jù)桂家壩崩岸段2012年12月、2013年11月、2014年12月和2016年3月水下地形測圖套繪分析,2012~2016年,該段前沿深槽沖刷下移并向近岸發(fā)展,-5 m高程以下岸坡呈逐年沖刷后退態(tài)勢,岸坡變陡,深槽下切。2016年較2012年,近岸深槽最大下切幅度約為7 m,岸坡逐年呈變陡趨勢,近岸平均坡度基本陡于1∶3,局部陡坡達到1 ∶ 1.5。
圖1 貴池河段河勢
圖2 桂家壩崩岸段斷面變化
(3) 河岸抗沖性分析。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查比較,桂家壩崩岸段0 m高程以上岸坡均為細粒層河漫相,0 m高程以下為粗粒層河床相。利用邊坡穩(wěn)定程序計算不同工況下穩(wěn)定性。計算結(jié)果表明,岸坡在1∶2.0左右時,呈不穩(wěn)定狀態(tài),可能產(chǎn)生崩岸。
(4) 護岸情況。2012年以來先后利用特大防汛經(jīng)費、中央水利基金及地方自籌經(jīng)費進行應(yīng)急守護,拋石斷面方量30~60 m3/m。
(5) 崩岸造成的危害程度分析。桂家壩小圩有居民248戶960人,耕地120 hm2,部分群眾居住在圩堤上,崩岸區(qū)內(nèi)有湯溝自來水廠取水躉船。崩岸直接影響桂家壩小圩居民生命財產(chǎn)及沿岸水廠供水安全,間接影響到樅陽江堤防洪安全和貴池河段河勢穩(wěn)定。
(6) 崩岸預(yù)警區(qū)擬定。桂家壩崩岸段水流頂沖加劇,近岸河床持續(xù)沖刷下切,岸坡較陡,灘槽高程大,河岸抗沖能力一般,崩岸發(fā)生可能性很大;崩岸發(fā)生將直接威脅防洪安全、群眾生命財產(chǎn)安全以及供水安全。預(yù)警級別確定為Ⅰ級,預(yù)警區(qū)對應(yīng)樅陽江堤樁號35+000~37+300,長度2 300 m。
3.2 Ⅱ級預(yù)警區(qū)——蕪湖新大圩崩岸段
新大圩崩岸段位于蕪湖河段上段右岸、潛洲右側(cè),對應(yīng)繁昌江堤19+860~21+900。2007年以來,該段持續(xù)發(fā)生崩岸,崩岸幅度較大。預(yù)警級別擬定過程如下。
(1) 河段河勢演變分析。近期蕪湖河段進口段水流右擺,進入潛洲右汊的水流切割潛洲右緣,致使?jié)撝抻揖墰_刷后退,潛洲右汊口門變寬,水流直接頂沖新大圩彎道段,洲體向右下方移動,新大圩段束水沖槽,水流沖刷河床向縱深和橫向發(fā)展。蕪湖河段局部河勢見圖3。
圖3 蕪湖河段局部河勢
(2) 近岸水下地形套繪分析。根據(jù)新大圩崩岸段2009年10月、2011年11月、2012年11月、2014年12月和2015年11月水下地形測圖套繪分析,該段深槽近岸,2009~2012年呈逐年向近岸移動、河床沖刷下切趨勢。2015年在21+130處發(fā)生崩窩,-5 m高程先沖刷后退約150 m,深槽沖刷向近岸發(fā)展。從坡度變化看,該段岸坡平均坡度在1∶2.3~1∶5之間,局部陡坡在1∶2~1∶3之間。
(3) 河岸抗沖性分析。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查,工程區(qū)域岸坡以粉細砂為主,抗沖性差,受水流淘刷極易失穩(wěn)。
(4) 護岸情況。2011年汛前蕪湖市組織實施護岸加固工程,護長1 560 m,水下拋石拋石斷面方量75 m3/m。安徽省長江崩岸應(yīng)急治理工程對18+810~19+220、19+590~19+830 20+820~21+650進行守護,護岸總長1 480 m,拋石斷面方量75 m3/m。
(5) 崩岸造成的危害程度分析。新大圩外灘現(xiàn)有聯(lián)群、宏宇等船廠,崩岸直接影響船舶基地安全和岸線利用,間接影響到繁昌江堤防洪安全。
(6) 崩岸預(yù)警區(qū)擬定。新大圩崩岸段水流頂沖加劇,近岸河床持續(xù)沖刷下切,岸坡較陡,水流條件紊亂,河岸抗沖能力較差,崩岸發(fā)生可能性很大;崩岸發(fā)生將直接威脅船舶基地安全和岸線利用。預(yù)警級別確定為Ⅱ級,預(yù)警區(qū)對應(yīng)繁昌江堤樁號19+860~21+900,長度2 040 m。
3.3 Ⅲ級預(yù)警區(qū)——望江六合圩崩岸段
望江六合圩段位于官洲河段進口段,對應(yīng)同馬大堤樁號116+000~121+146,為水流強烈頂沖部位,1989年曾發(fā)生強烈崩岸,堤防被迫退建。近期該段未發(fā)生較大幅度崩岸。預(yù)警級別擬定過程如下。
(1) 河段河勢演變分析。20世紀90年代中期以來,吉陽磯挑流有所減弱,水流對左岸六合圩頂沖強度減弱,對漳湖閘以下三益圩、官洲右緣、廣成圩沖刷力度加強。
(2) 近岸水下地形套繪分析。根據(jù)六合圩崩岸段2010年12月、2012年12月、2013年10月和2015年1月水下地形圖套繪分析:2010~2012年岸坡呈變陡,深槽略向近岸發(fā)展;2012~2015年岸坡相對穩(wěn)定,沖淤變化不大。
(3) 護岸情況。 1959~2002年,累計護岸長度4.9 km,總計拋石量58.89萬m3,另有沉排護岸21.39萬m3,平均每延米拋石量120 m3。
(4) 崩岸造成的危害程度分析。117+000~119+100段堤防外灘狹窄,其中118+500~119+100段堤防無外灘,發(fā)生崩岸將直接威脅同馬大堤防洪安全。
(5) 崩岸預(yù)警區(qū)擬定。六合圩段水流頂沖強度有所減弱,近岸水下地形相對穩(wěn)定,護岸工程標準較高,近期崩岸發(fā)生的可能性不大。但由于118+100~119+100段堤防外灘狹窄,局部無外灘,崩岸將直接威脅同馬大堤防洪安全。預(yù)警級別確定為Ⅲ級,預(yù)警區(qū)對應(yīng)同馬大堤樁號118+100~119+100,長度1 000 m。
2011年以來,安徽省長江河道管理局每年汛前組織技術(shù)人員對長江崩岸段進行監(jiān)測分析,提出長江崩岸預(yù)警方案。安徽省防汛抗旱指揮部辦公室審查后,聯(lián)合安徽省長江河道管理局向沿江各市人民政府發(fā)布預(yù)警通知,要求當?shù)卣凑疹A(yù)警要求,落實各級責(zé)任制,采取必要的工程和非工程措施,保障防洪和群眾生命財產(chǎn)安全。目前,共發(fā)布長江崩岸預(yù)警153處,預(yù)警長度254.1 km;年均發(fā)布崩岸預(yù)警25.5處,預(yù)警長度42.35 km。
長江崩岸預(yù)警工作開展以來,安徽省長江河道崩岸危害性得到一定控制,未發(fā)生因崩岸而造成的人員傷亡和洪水災(zāi)害,取得了良好的經(jīng)濟和社會效益,具體表現(xiàn)在以下幾點。
(1) 實現(xiàn)了對崩岸發(fā)生地點的預(yù)判。安徽長江崩岸預(yù)警依據(jù)對崩岸發(fā)生現(xiàn)象的總結(jié),通過分析河段演變趨勢、崩岸區(qū)近岸河床變化、護岸情況、岸坡抗沖能力等核心要素,實現(xiàn)了對崩岸發(fā)生地點的預(yù)判。近年來新發(fā)生的、具有一定危害性的崩岸,基本均在每年發(fā)布的崩岸預(yù)警區(qū)范圍內(nèi)。
(2) 保障了群眾生命財產(chǎn)安全。安徽長江崩岸預(yù)警以崩岸可能造成的危害程度作為重要判別指標,高度重視突發(fā)崩岸的社會危害性,要求當?shù)卣龊妙A(yù)警區(qū)宣傳和警示工作,加強崩岸預(yù)警區(qū)的動態(tài)監(jiān)測和日常巡查查,轉(zhuǎn)移受崩岸威脅群眾, 逐步搬遷對應(yīng)區(qū)域內(nèi)居民,保障了群眾生命財產(chǎn)安全。
(3) 引起了當?shù)卣母叨戎匾?。安徽長江崩岸預(yù)警將突發(fā)危害量化為實際指標,由安徽省防汛抗旱指揮部對當?shù)卣l(fā)布,并對預(yù)警防范工作提出了具體措施要求,引起了當?shù)卣蜕鐣鹘绲母叨戎匾?,提高了對崩岸防范的意識。
(4) 加大了崩岸治理的投入。崩岸預(yù)警發(fā)布后,各級政府積極籌措資金開展崩岸治理工作,消除崩岸隱患,如蕪湖市先后投入近4 000萬元對新大圩和大拐預(yù)警區(qū)進行守護。根據(jù)已發(fā)布的崩岸預(yù)警分析,預(yù)警區(qū)長度逐年減少,特別是危險性較大的Ⅰ級、Ⅱ級預(yù)警區(qū),數(shù)量和長度均呈較大幅度下降趨勢,這與各級政府和部分加大崩岸治理投入密不可分。
安徽省長江崩岸預(yù)警工作開展以來,崩岸危害性得到一定控制,未發(fā)生因崩岸造成的人員傷亡和洪水災(zāi)害,社會經(jīng)濟效益良好。但由于崩岸機理復(fù)雜、影響因素較多,預(yù)警預(yù)報工作仍需在實踐中不斷完善。為不斷提高崩岸預(yù)警的準確性和科學(xué)性,可從以下3個方面進一步完善崩岸預(yù)警技術(shù):①通過二維水沙數(shù)學(xué)模型計算,對長江安徽段岸線的水流泥沙動力條件進行分類評價;②加大近岸河床監(jiān)測范圍和頻次,探索在重點崩岸預(yù)警區(qū)設(shè)置位移、滲流等監(jiān)測設(shè)備,實施對崩岸段岸坡的適時監(jiān)測;③進一步完善預(yù)警評價指標體系,實現(xiàn)河道水沙模型計算、岸坡穩(wěn)定計算模型和崩岸段歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析相融合,從而提高崩岸預(yù)警成果精度。
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(編輯:唐湘茜)
2017-09-15
水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201401063)
劉東風(fēng),男,安徽省長江河道管理局,教授級高級工程師.
1006-0081(2017)11-0091-05
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